燃气锅炉烟气余热回收热泵机组的选型软件

白冬军， 柯国华， 张 涛， 冯文亮， 甄浩然， 张 夏

(北京市公用事业科学研究所，北京100011)

1 概述

溴化锂吸收式热泵机组(以下简称热泵机组)可用于回收燃气锅炉烟气余热(潜热、显热)，提高燃气锅炉房热效率。然而，热泵机组的经济性也是投资者关心的问题。因此，笔者设计以经济性指标为主要优化目标的热泵机组(用于回收燃气锅炉的烟气余热)的选型软件。本文对选型软件的研究对象、优化目标、选型流程以及实际应用进行介绍。

2 研究对象

研究对象为用于回收燃气锅炉烟气余热的热泵机组，热泵机组利用烟气余热的工艺流程见图1。热泵机组排出的低温余热水通过烟气换热器吸收燃气锅炉排烟余热变为高温余热水，热泵机组利用天然气燃烧热与余热水热量加热部分热网回水。经热泵机组加热的热网回水与另一部分热网回水共同进入燃气锅炉，继续升温后作为热网供水。

图1 热泵机组利用烟气余热的工艺流程

3 选型流程

3.1 优化目标

选型软件可将以下经济性指标设定为优化目标，包括：投资总额、净收益、动态投资回收期、项目服役期限的净现值(NPV)、内部收益率(IRR)。NPV指按部门或行业的基准收益率或设定的折现率，将热泵机组服役期限内各年的净现金流量折现到建设起点年份(基准年)的现金累计。NPV>0表示除了预定的收益率外，可获得更高的收益。NPV<0表示未能达到预定的收益率。NPV=0表示投资收益率恰好达到预期。由于能更准确地反映投资的效果，通常将NPV作为优化目标。

项目NPV的计算式为：

式中CNPV——项目的NPV，元

n——热泵机组使用寿命，a

t——时间，a

Fg——供暖期节省的天然气费用，元/a

Cf——供暖期的固定成本，元/a

Φhp——热泵机组额定制热功率，MW

Cv——单位可变成本(以与热泵机组额定制热功率相关的关联系数形式表达)，元/(MW·a)

i0——基准收益率

Z——热泵机组的造价，元

供暖期的固定成本包括人员工资、维修费等固定成本，单位可变成本为典型供暖期内随热泵机组额定制热功率变化的成本费用(如水费、燃气费等)。热泵机组的造价包括热泵机组、配套设备的购置费、安装费等。

3.2 限制条件与影响因素

① 限制条件

a.燃气锅炉排烟温度。燃气锅炉排烟温度高于烟气露点(60 ℃)是热泵机组选型的首要条件[1]，此时可回收烟气中大量潜热。

b.热泵机组制热功率调节范围。对于分期建设的供热工程，宜按中远期规划热负荷配置的燃气锅炉排烟余热量考虑热泵机组的额定制热功率。在此基础上，校核近期规划热负荷条件下初末寒期烟气余热量比较低时，是否超出热泵机组制热功率的调节范围。若超出调节范围，则应按近期规划热负荷对热泵机组额定制热功率进行选型。

c.燃气锅炉热功率。将燃气锅炉热功率7 MW为判断阈值，热功率低于7 MW的燃气锅炉不宜安装热泵机组。

② 影响因素

a.建设方式。应明确配套热泵机组的燃气锅炉房为新建锅炉房，还是既有锅炉房，并考虑锅炉房面积、空间、配电、水源、燃气等安装条件。通常，新建燃气锅炉房便于燃气锅炉与热泵机组的统一设计布局。而既有燃气锅炉房的热泵机组配套建设，受到现场条件限制。考虑烟气换热器的类型，直接接触式换热器与间壁式冷凝换热器的结构型式不同，需要的空间不同。

b.投资与管理方式。一种是供热单位投资并负责管理。另一种是合同能源管理，由节能服务公司投资并负责管理，按与供热单位签订的节能服务合同，节能服务公司分享节能效益。

c.政策补贴。

d.热泵机组使用寿命。热泵机组的使用寿命关系到收益，通常要求使用寿命应大于等于15 a。

3.3 选型流程

热泵机组选型流程见图2。根据选型流程，使用PHP语言(Hypertext Preprocessor)，采用B/S架构，编写选型软件。

根据天然气组成、燃气锅炉燃气消耗量、燃气锅炉设计排烟温度、烟气换热器设计排烟温度等参数，计算可回收的烟气余热功率(包括显热功率和潜热功率两部分)[2-3]。余热回收比例为热泵机组拟回收的烟气余热功率(人为设定)与可回收的烟气余热功率之比。余热回收比例反映出选型的期望，在可回收的烟气余热功率一定的情况下，余热回收比例越大，回收的烟气余热量就越大，热泵机组的额定制热功率也就越大。反之，热泵机组的额定制热功率越小。因此，可计算不同余热回收比例对应的热泵机组额定制热功率，并绘制余热回收比例-热泵机组额定制热功率曲线。

考虑影响因素以及配套热泵机组带来的成本及收益(回收烟气余热带来的燃气费用的降低)，计算不同余热回收比例下的NPV，并绘制余热回收比例-NPV曲线。

结合余热回收比例-NPV曲线，确定最佳(最大值)NPV对应的最佳余热回收比例，进而结合余热回收比例-热泵机组额定制热功率曲线确定最佳热泵机组额定制热功率。最后，根据建设方式确定热泵机组的具体配置，特别是烟气换热器的类型(直接接触式换热器、间壁式冷凝换热器)。

受软件功能限制，软件仅能确定热泵机组的总额定制热功率，具体到与多台燃气锅炉的匹配情况，还需要人工干预。

图2 热泵机组选型流程

4 实际应用

① 基础参数

北京地区某锅炉房总供热面积为409.91×104m2，设计热负荷为184.46 MW。锅炉房安装4台热水燃气锅炉，单台热功率为70 MW，设计供、回水温度为130、70 ℃。拟采取供热单位投资(并负责运行)，配套热泵机组回收燃气锅炉烟气余热，热泵机组设计制热性能系数为1.7，采用选型软件对该项目进行选型。

天然气各组分的体积分数见表1。天然气低热值为34.39 MJ/m3，价格为2.51 元/m3。

表1 天然气各组分的体积分数

燃气锅炉设计排烟温度为70 ℃，烟气换热器设计排烟温度为25 ℃。锅炉房环境空气温度取10 ℃，大气压力为101.325 kPa。供暖室外计算温度为-7.6 ℃，供暖期室外平均温度为0.1 ℃，供暖室内设计温度为20 ℃。供暖期为120 d。

热泵机组使用寿命为20 a，供暖期固定成本为25×104元/a，单位可变成本为8×104元/(MW·a)，基准收益率为5%，不考虑财政补贴。

② 选型结果

将基础参数输入软件后，通过计算，软件输出余热回收比例-热泵机组额定制热功率曲线、余热回收比例-NPV曲线，软件截图分别见图3、4。由图4可知，余热回收比例为0.75时，NPV最大。因此，最佳余热回收比例为0.75。由图3可知，余热回收比例为0.75时，热泵机组额定制热功率为30.87 MW，余热回收量为13.08 MW。

图3 余热回收比例-热泵机组额定制热功率曲线(软件截图)

图4 余热回收比例-NPV曲线(软件截图)

5 结语

影响热泵机组选型的因素很多，若想取得更理想可靠的选型建议，需要对选型软件进一步完善，并准确掌握这些影响因素，使选型软件成为进行热泵机组选型的一种简便实用的工具。